Un material capaz de convertir al mismo tiempo luz, calor y movimiento en electricidad

Nos rodean muchas formas de energía: la luz solar; el calor generado por infinidad de procesos naturales o de manera residual por máquinas; e incluso nuestros propios movimientos. Toda esa energía, desperdiciada normalmente, puede llegar a alimentar nuestros aparatos electrónicos portátiles o ponibles, desde sensores biométricos a relojes inteligentes. Ahora, unos investigadores de la Universidad de Oulu en Finlandia han encontrado que un material con una estructura idónea de cristal de perovskita posee las propiedades adecuadas para extraer energía de múltiples fuentes a un tiempo.

Las perovskitas son una familia de minerales, la estructura de muchos de los cuales ha demostrado ser prometedora a la hora de recolectar uno o dos tipos de energía a un tiempo, pero no todos simultáneamente. Un miembro de la familia puede ser bueno para células solares, con las propiedades adecuadas para convertir energía solar en electricidad de forma eficiente. Mientras tanto, otros pueden ser buenos en aprovechar la energía de los cambios en la temperatura, así como de los cambios en la presión, que pueden surgir del movimiento, lo que les convierte, respectivamente, en materiales piroeléctricos y materiales piezoeléctricos.

Aprovechar un solo tipo de energía no es lo ideal, ya que no tiene por qué estar disponible siempre, como por ejemplo ocurre con la luz solar, ausente durante la noche. Conviene pues tener dispositivos capaces de aprovechar varios tipos simultáneamente. Ya ha habido investigadores que han desarrollado dispositivos que pueden aprovechar múltiples formas de energía, pero precisan también de múltiples materiales, aumentando irremediablemente el tamaño de lo que se supone debería ser un dispositivo pequeño y portátil.

Han comprobado que un tipo específico de perovskita llamado KBNNO podría ser capaz de aprovechar muchas formas de energía. Como todas las perovskitas, el KBNNO es un material ferroeléctrico, lleno de diminutos dipolos eléctricos.

Cuando los materiales ferroeléctricos como el KBNNO sufren cambios de temperatura, sus dipolos se desalinean, lo que induce una corriente eléctrica. La carga eléctrica se acumula también en función de la dirección a la que apuntan los dipolos. Deformar el material ocasiona que ciertas regiones atraigan o repelan cargas, generando de nuevo una corriente.

Otros investigadores estudiaron anteriormente las propiedades fotovoltaicas y ferroeléctricas generales de los materiales del tipo KBNNO, pero lo hicieron a temperaturas un par de cientos de grados por debajo del punto de congelación del agua, y no se centraron en propiedades relacionadas con la temperatura o la presión. El nuevo estudio representa la primera vez en que se examinan todas estas propiedades a un mismo tiempo y a temperatura mucho más elevada, incluso por encima de la temperatura ambiente típica.

Hacer que un material se pegue o despegue mediante luz

Los mecanismos adhesivos en el mundo natural, como los que usan los gecos y otros animales cuando andan cabeza abajo por el techo, tienen muchas ventajas: son siempre fuertemente adhesivos, no necesitan pegamentos y no dejan residuos.

Unos científicos de la Universidad de Kiel en Alemania están investigando cómo se podrían crear artificialmente estos mecanismos. Este equipo interdisciplinario de ciencia de los materiales, química y biología ha conseguido ahora desarrollar un material adhesivo bioinspirado que puede ser controlado remotamente usando luz ultravioleta. De este modo es posible lograr la adherencia de un objeto a una superficie y además transportarlo por ella con gran precisión. Este avance podría tener importantes aplicaciones en robótica, tecnología médica y diversos campos industriales.

El equipo de Emre Kizilkan desarrolló primero un material poroso elástico (LCE, o elastómero de cristal líquido) que se dobla cuando es iluminado con luz ultravioleta, debido a su estructura molecular especial. Mientras hacían eso, se dieron cuenta de que, cuanto más poroso era el material, más se doblaba. Así que los investigadores aprovecharon este hecho. Debido a sus estructuras, los materiales porosos pueden ser fácilmente incorporados a otros materiales. De modo que Kizilkan y sus colegas ensayaron lo que pasaba al combinar el material elástico que reacciona mucho a la luz, con un material que posee buenas propiedades adhesivas y que está inspirado en una clase de estructuras biológicas naturales.

El nuevo material compuesto consiste en dos sustancias: un material adhesivo (azul) y un elastómero de cristal líquido (amarillo). Este se dobla (doblando así a todo el material), cuando se le irradia con luz ultravioleta. La curvatura ocasiona que los elementos adhesivos se separen de la superficie sobre la cual el objeto estaba adherido. 

El resultado es un material adhesivo compuesto “inteligente” al que se puede controlar con luz. La superficie consiste en microestructuras adhesivas en forma de hongo, parecidas a las existentes en las patas de algunas especies de escarabajos. Cuando se ilumina con luz ultravioleta el material compuesto, se dobla. Debido a que la superficie del material se dobla también, cada vez más elementos adhesivos se sueltan de la superficie a la cual el objeto se había adherido, hasta poder desprenderse, moverse un poco más hacia la dirección deseada si es el caso, y reanudar de nuevo el ciclo de adhesión y liberación.